CN102324918A - 一种绝缘栅双极型晶体管驱动电路 - Google Patents

Abstract

一种IGBT驱动电路，包括光电隔离器PC929引脚12、13与恒压电源正极连接，引脚10、14与恒压电源负极连接；分压电路两端分别与恒压电源正极、负极连接；光电隔离器引脚11通过限流电阻与三极管Q1栅极、三极管Q2栅极连接；三极管Q1集电极与恒压电源正极连接，三极管Q2集电极与恒压电源负极连接；三极管Q1发射极输出信号作为IGBT开通驱动信号，三极管Q2发射极输出信号作为IGBT关断驱动信号；保护电路分别与恒压电源正极、负极连接，用于接入IGBT集电极-发射极电压Vce，当Vce到达预设值时，通过光电隔离器引脚9输入高电平至光电隔离器。该驱动电路适用于大容量IGBT驱动，具备Vce保护功能。

Description

一种绝缘栅双极型晶体管驱动电路

技术领域

本发明涉及电力电子领域，具体涉及一种绝缘栅双极型晶体管(InsulatedGate Bipolar Transistor，IGBT)驱动电路。

背景技术

在变频器、照明电路、牵引传动、不间断电源(Uninterruptible PowerSystem，UPS)等电力电子装置中，IGBT作为主要的功率开关器件，其工作(包括驱动和保护)的可靠性将直接影响到整个装置的可靠性，故关于IGBT驱动行业中出现了很多不同的驱动电路。其中，一种比较典型的IGBT驱动电路是，利用光电隔离器PC929的输出直接进行IGBT驱动，即将光电隔离器PC929的输出直接输入IGBT栅极进行IGBT驱动。

然而，由于光电隔离器PC929本身的驱动能力有限，上述的IGBT驱动电路也只能适用于小容量的IGBT驱动。

发明内容

针对上述缺陷，本发明提供了一种绝缘栅双极型晶体管驱动电路，该驱动电路基于光电隔离器PC929进行设计，适用于大容量的IGBT驱动，同时该驱动电路还具备IGBT的Vce保护功能。

一种绝缘栅双极型晶体管驱动电路，包括：

光电隔离器PC929，其引脚12、13与恒压电源的正极电连接，引脚10、14与所述恒压电源的负极电连接；

分压电路，其两端分别与所述恒压电源的正极、负极电连接；

所述光电隔离器PC929的引脚11通过限流电阻R4与三极管Q1栅极、三极管Q2栅极电连接；所述三极管Q1集电极与所述恒压电源的正极电连接，三极管Q2集电极与所述恒压电源的负极电连接；所述三极管Q1发射极的输出信号作为所述绝缘栅双极型晶体管的开通驱动信号，所述三极管Q2发射极的输出信号作为所述绝缘栅双极型晶体管的关断驱动信号；

保护电路，分别与所述恒压电源的正极、负极电连接，用于接入所述绝缘栅双极型晶体管的集电极-发射极电压Vce，当所述Vce到达预设值时，所述保护电路通过所述光电隔离器PC929的引脚9输入高电平至所述光电隔离器PC929。

一个实施例中，所述恒压电源的正极与所述光电隔离器PC929的引脚8之间依次串联限流电阻R7、光电耦合器PC1。

一个实施例中，所述分压电路包括稳压二极管Z1、限流电阻R6、第一电容C1以及第二电容C2；

所述稳压二极管Z1正极与所述限流电阻R6一端电连接，所述稳压二极管Z1负极与所述恒压电源的正极电连接，所述限流电阻R6另一端与所述恒压电源的负极电连接；所述第一电容C1与所述稳压二极管Z1并联，所述第二电容C2与所述限流电阻R6并联。

一个实施例中，所述保护电路包括限流电阻R1、R2、R3、R5、稳压二极管Z2以及第三电容C3；

所述限流电阻R1一端与所述恒压电源的正极电连接，所述限流电阻R1另一端与限流电阻R2一端电连接；限流电阻R2另一端分别与限流电阻R3一端、限流电阻R5一端以及第三电容C3一端电连接；限流电阻R3另一端与所述光电隔离器PC929的引脚9电连接，限流电阻R5另一端、第三电容C3另一端分别与所述恒压电源的负极电连接；

所述稳压二极管Z2负极与所述限流电阻R1另一端电连接，所述述稳压二极管Z2正极用于接入所述绝缘栅双极型晶体管的集电极-发射极电压Vce，当所述Vce到达预设值时，光电隔离器PC929的引脚9输入高电平至所述光电隔离器PC929。

一个实施例中，所述三极管Q1发射极与所述三极管Q2发射极连接。

一个实施例中，所述三极管Q1发射极与所述三极管Q2发射极相互分离。

本发明提供的IGBT驱动电路中，正常工作时光电隔离器PC929引脚11可输出高电平，该高电平经过限流电阻R4驱动三极管Q1，并经过三极管Q1电流放大后，可输出IGBT开通驱动信号，从而可以驱动大容量的IGBT开通；而当IGBT出现故障时，保护电路接入的IGBT集电极-发射极电压Vce将到达预设值，相应地光电隔离器PC929引脚9输入高电平至光电隔离器PC929，此时光电隔离器PC929引脚11将输出低电平，该低电平经过限流电阻R4驱动三极管Q2，并经过三极管Q2电流放大后，可输出IGBT关断驱动信号，从而可以驱动大容量的IGBT关断，实现IGBT的Vce保护。因此，本发明提供的IGBT驱动电路不仅适用于大容量的IGBT驱动，同时该驱动电路还具备IGBT的Vce保护功能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的一种绝缘栅双极型晶体管驱动电路的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，图1为本发明提供的一种绝缘栅双极型晶体管驱动电路的结构示意图。如图1所示，该驱动电路可以包括：

光电隔离器PC929-100，其引脚12、13与恒压电源的正极电连接，以及引脚10、14与恒压电源的负极电连接；

分压电路110，其两端分别与恒压电源的正极、负极电连接；

其中，光电隔离器PC929-100引脚11通过限流电阻R4与三极管Q1栅极、三极管Q2栅极电连接；三极管Q1集电极与恒压电源的正极电连接，三极管Q2集电极与恒压电源的负极电连接；其中，三极管Q1发射极的输出信号作为IGBT开通驱动信号，三极管Q2发射极的输出信号作为IGBT关断驱动信号；

保护电路120，分别与恒压电源的正极、负极电连接，用于接入IGBT集电极-发射极电压Vce，当Vce到达预设值时，保护电路120通过光电隔离器PC929-100的引脚9输入高电平至光电隔离器PC929-100。

本发明中，上述的光电隔离器PC929-100的内部逻辑结构以及各引脚功能均是本领域技术人员所熟悉的，因此本发明此处不作赘述。

如图1所示，作为一个可选的实施方式，恒压电源的正极与光电隔离器PC929-100的引脚8之间可以依次串联限流电阻R7、光电耦合器PC1，其中，F01、F02表示光电耦合器PC1输出的IGBT故障反馈信号。

如图1所示，作为一个可选的实施方式，上述的分压电路110可以包括稳压二极管Z1、限流电阻R6、第一电容C1以及第二电容C2；

其中，稳压二极管Z1正极与限流电阻R6一端电连接，稳压二极管Z1负极与恒压电源的正极电连接，限流电阻R6另一端与恒压电源的负极电连接；第一电容C1与所述稳压二极管Z1并联，第二电容C2与所述限流电阻R6并联。

可以理解的是，在不考虑IGBT驱动性能进一步优化的情况下，上述的稳压二极管Z1也可以采用限流电阻来代替，同样可以实现本发明。

如图1所示，作为一个可选的实施方式，保护电路120可以包括限流电阻R1、R2、R3、R5、稳压二极管Z2以及第三电容C3；

其中，限流电阻R1一端与恒压电源的正极电连接，限流电阻R1另一端与限流电阻R2一端电连接；限流电阻R2另一端分别与限流电阻R3一端、限流电阻R5一端以及第三电容C3一端电连接；限流电阻R3另一端与光电隔离器PC929-100的引脚9电连接，限流电阻R5另一端、第三电容C3另一端分别与恒压电源的负极电连接；

其中，稳压二极管Z2负极与限流电阻R1另一端电连接，稳压二极管Z2正极用于接入IGBT集电极-发射极电压Vce，当Vce到达预设值时，光电隔离器PC929-100的引脚9输入高电平至光电隔离器PC929-100。

作为一个可选的实施方式，上述的三极管Q1发射极可以和三极管Q2发射极连接。

作为一个可选的实施方式，上述的三极管Q1发射极也可以和三极管Q2发射极相互分离。

下面，对图1所示的IGBT驱动电路的工作原理进行说明：

1、整个驱动电路由单个恒压电源供电，光电隔离器PC929-100的引脚13(即VCC)、引脚12(即VC)接恒压电源的正极VCC；光电隔离器PC929-100的引脚14、10(即VEE)接恒压电源的负极VEE。

2、恒压电源由串联的第一电容C1和第二C2进行滤波，并且C1并联一稳压二极管Z1，C2并联一限流电阻R6，从而可以将来自VCC和VEE的恒压电源分成两部分，Z1上的压降可以作为IGBT驱动的正电源，R6上的压降可以作为IGBT驱动的负电源。

其中，可以将C1、C2的连接点可以命名为网络V0，网络V0可以作为IGBT驱动提供参考0点。

3、在正常工作时，光脉冲信号分成两路分别输入光电隔离器PC929-100，其中一路直接输入光电隔离器PC929-100的引脚3(称P+，为正)，另一路通常经过反向器后输入光电隔离器PC929-100的引脚1、2(称P-，为负)，这种状态称为IGBT驱动有效。其中，光脉冲信号经光电隔离器PC929-100隔离和逻辑处理后，从光电隔离器PC929-100引脚11输出一高电平，该高电平经电阻R4驱动三极管Q1，并经三极管Q1电流放大后，得到IGBT开通驱动信号GON。

其中，IGBT在正常工作时，其集电极-发射极电压Vce为低电平，这是由IGBT特性决定的，属于本领域技术人员所公知的常识，本发明此处不作赘述。

4、当无光脉冲信号输入，或者光脉冲信号P+为负、P-为正或二者相等时，这种状态称为IGBT驱动无效。相应地，光电隔离器PC929-100引脚11将输出一负电平，该低电平经过限流电阻R4驱动三极管Q2，并经三极管Q2电流放大后，得到IGBT关断驱动信号GOFF。

5、当IGBT发生故障时，这时光脉冲信号P+、P-输入有效，Vce变为高电平，Vce将驱动稳压二极管Z2导通，从而Vce将在稳压二极管Z2、限流电阻R2以及R5上进行分压；相应地，恒压电源也会在R1、R2、R5进行分压；当Vce在限流电阻R5上的分压以及恒压电源在R5上的分压叠加并得到高压电平时，该高电平经过限流电阻R3提供给光电隔离器PC929-100引脚9(引脚9作为光电隔离器PC929-100的故障检测端)，经光电隔离器PC929-100内部逻辑处理后，自动关断其引脚11输出，即引脚11输出变为低电平，从而关断IGBT。

另外，光电隔离器PC929-100将其引脚11变为低电平的同时，也把其故障输出引脚8设置为低电平，这时恒压电源经R7限流后使光电耦合器PC1导通，通过F01、F02将IGBT故障信息反馈给原边，从而触发Vce故障的快速保护。

本发明中，可以合理设计R1、R2、R5大小，使得恒压电源在R5上的分压为低电平，该低电平经过限流电阻R3提供给光电隔离器PC929-100引脚9(引脚9作为光电隔离器PC929-100的故障检测端)，经光电隔离器PC929-100内部逻辑处理后，其引脚11输出高电平，从而驱动IGBT。

本发明中，可以合理设计稳压二极管Z2大小，当IGBT发生故障，Vec到达预设值时，Z2导通，使得Vec在R5上的分压与恒压电源在R5上的分压叠加得到一高电平，从而在IGBT发生故障时可以关断IGBT，实现IGBT的Vce保护。

本发明中，稳压二极管Z2的作用是用于设置Vce的保护阀值，通过设置合理的保护阀值可使IGBT驱动及保护安全可靠的工作。

本发明中，对图1所示的IGBT驱动电路具备以下优点：

1、驱动电路采用光电隔离器PC929作为本电路的核心驱动器件，由于光电隔离器PC9299内部逻辑处理电平与其供电电压(即恒压电源)一致，故抗干扰能力强，并且价格较便宜。

2、驱动电路采用单个恒压电源供电，方便其电源的设计及印制电路板(Printed Circuit Board，PCB)走线。

3、IGBT驱动所需的正、负电源通过稳压二极管Z1和限流电阻R6获得，方便实用。

4、IGBT的正电源采用稳压二极管Z1稳压还有以下三方面好处：

①当输入电源在允许的电压范围内变化时，IGBT有效开通驱动电平是固定的，从而保证IGBT的可靠开通而不进入线性区。

②当输入电源在允许的电压范围内变化时，IGBT的故障保护Vce检测电平也是固定的，从而保证IGBT的Vce检测不因电源变化而误报警，大大提高了驱动的可靠性。

③一般稳压二极管Z1的失效模式为短路，即当该稳压二极管发生失效时，则IGBT驱动的正电源变为0，负电源则变为整个输入电源，这时不管IGBT驱动信号是否有效，IGBT均不能开通，从而保证IGBT不因电源故障而发生上下桥臂直通。

5、Vce保护电路增加稳压二极管Z2，可通过调整Z2的大小来改变Vce的保护阀值，通过设置合适的稳压二极管Z2，可使IGBT得到最佳的保护而又不致于误报警。

6、由于光电隔离器PC929引脚脚11输出电流较小，故设计了Q1、Q2三极管对管，用于放大驱动电流，使整个电路能驱动更大容量的IGBT。

7、三极管Q1和Q2的发射极可不连接，可以很方便的使IGBT开通门极电阻和关断门极电阻设计成不同的值，更有利于电磁兼容性(Electro MagneticCompatibility，EMC)的设计。

本发明提供的IGBT驱动电路可以有效地驱动电压在1700V以下，电流在1800A以下的IGBT，同时具有Vce保护功能和较强的抗干扰能力。另外，本发明提供的IGBT驱动电路可以设置成一通用的小PCB板或厚膜电路，从而可以提供产品的通用性。

本发明提供的IGBT驱动电路中，光电隔离器PC929引脚11可输出高电平，该高电平经过限流电阻R4驱动三极管1，并经过三极管1电流放大后，可输出IGBT开通驱动信号，从而可以驱动大容量的IGBT开通；而当IGBT出现故障时，保护电路接入的IGBT集电极-发射极电压Vce将逐渐达到预设值，相应地光电隔离器PC929的引脚9输入高电平至光电隔离器PC929，此时光电隔离器PC929引脚11将输出低电平，该低电平经过限流电阻R4驱动三极管2，并经过三极管2电流放大后，可输出IGBT关断驱动信号，从而可以驱动大容量的IGBT关断，实现IGBT的Vce保护。因此，本发明提供的IGBT驱动电路不仅适用于大容量的IGBT驱动，同时该驱动电路还具备IGBT的Vce保护功能。

以上对本发明所提供的一种绝缘栅双极型晶体管驱动电路进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种绝缘栅双极型晶体管驱动电路，其特征在于，包括：

光电隔离器PC929，其引脚12、13与恒压电源的正极电连接，引脚10、14与所述恒压电源的负极电连接；

分压电路，其两端分别与所述恒压电源的正极、负极电连接；

所述光电隔离器PC929的引脚11通过限流电阻R4与三极管Q1栅极、三极管Q2栅极电连接；所述三极管Q1集电极与所述恒压电源的正极电连接，所述三极管Q2集电极与所述恒压电源的负极电连接；所述三极管Q1发射极的输出信号作为所述绝缘栅双极型晶体管的开通驱动信号，所述三极管Q2发射极的输出信号作为所述绝缘栅双极型晶体管的关断驱动信号；

保护电路，分别与所述恒压电源的正极、负极电连接，用于接入所述绝缘栅双极型晶体管的集电极-发射极电压Vce，当所述Vce到达预设值时，所述保护电路通过所述光电隔离器PC929的引脚9输入高电平至所述光电隔离器PC929。

2.根据权利要求1所述的驱动电路，其特征在于，还包括：

所述恒压电源的正极与所述光电隔离器PC929的引脚8之间依次串联限流电阻R7、光电耦合器PC1。

3.根据权利要求1或2所述的驱动电路，其特征在于，

所述分压电路包括稳压二极管Z1、限流电阻R6、第一电容C1以及第二电容C2；

所述稳压二极管Z1正极与所述限流电阻R6一端电连接，所述稳压二极管Z1负极与所述恒压电源的正极电连接，所述限流电阻R6另一端与所述恒压电源的负极电连接；所述第一电容C1与所述稳压二极管Z1并联，所述第二电容C2与所述限流电阻R6并联。

4.根据权利要求1或2所述的驱动电路，其特征在于，

所述保护电路包括限流电阻R1、R2、R3、R5、稳压二极管Z2以及第三电容C3；

所述限流电阻R1一端与所述恒压电源的正极电连接，所述限流电阻R1另一端与限流电阻R2一端电连接；限流电阻R2另一端分别与限流电阻R3一端、限流电阻R5一端以及第三电容C3一端电连接；限流电阻R3另一端与所述光电隔离器PC929的引脚9电连接，限流电阻R5另一端、第三电容C3另一端分别与所述恒压电源的负极电连接；

所述稳压二极管Z2负极与所述限流电阻R1另一端电连接，所述述稳压二极管Z2正极用于接入所述绝缘栅双极型晶体管的集电极-发射极电压Vce，当所述Vce到达预设值时，光电隔离器PC929的引脚9输入高电平至所述光电隔离器PC929。

5.根据权利要求1或2所述的驱动电路，其特征在于，

所述三极管Q1发射极与所述三极管Q2发射极连接。

6.根据权利要求1或2所述的驱动电路，其特征在于，

所述三极管Q1发射极与所述三极管Q2发射极相互分离。

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